汽车制动鼓的失效分析.doc

汽车制动鼓的失效分析李先芬,丁厚福,苏勇,陈翌庆,祖方遒(合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009)摘要:对两种典型失效形式的汽车制动鼓化学成分、显微组织和硬度等进行了检验和分析。结果表明,制动鼓表面出现的亮白点是成分不合理和制动时摩擦热作用引起相变等导致的,致使制动效果差;而制动鼓表面出现黑斑、龟裂是由于耐热疲劳性能差及发生相变造成的。关键词:制动鼓;失效分析;白亮点;黑斑;龟裂1概况汽车制动鼓结构紧凑、制动功率大,是最常见的制动装置,也是汽车安全行驶的重要保证。随着汽车技术的发展,汽车不断向高速、重载等方向发展,在此条件下的频繁制动对汽车制动鼓的使用寿命提出了新的挑战。以前在低速轻载条件下性能表现尚好的制动鼓也逐渐满足不了使用要求,主要表现为制动鼓硬度偏低,不耐磨;制动鼓硬度过高,制动后制动带出现硬质白亮点,制动带凹凸不平,制动异响;制动带产生热疲劳网状裂纹龟裂,易导致制动鼓断裂。这些问题使制动鼓制动效果差、使用寿命大大降低,严重影响汽车行驶的安全性。笔者以两种典型失效形式的低合金铸铁制动鼓为研究对象,分析其失效原因。2理化检验2.1宏观检验(1)制动鼓1行驶里程为6100km。失效形式:刹车异响、制动带亮点较多、制动效果较差。宏观检查,该制动带凹凸不平,分布着很多大小不一的硬质亮点,且亮点上存在较多规则排列的小裂纹,见图1。(2)制动鼓2行驶里程为27744km。失效形式为制动带开裂。宏观检查,整个制动带上分布着很多呈规则排列的网状裂纹、并有较多呈过热的黑色斑块、制动带面光滑、无凹凸不平现象,见图2。 图1制动带上的硬质白亮点 图2制动带上的黑斑和龟裂2.2化学成分分析从失效制动鼓上取样进行化学成分分析,结果(质量分数,下同)见表1。可见制动鼓1的硅含量较低,锰和磷含量明显高于制动鼓2。磷虽能完全溶于液态铸铁中,但在固态下溶解度很小,同时在凝固过程中磷极易发生偏析,较多地聚集在残留液相中,因而当铸铁中含磷量超过0.06%0108%1时,在共晶团之间残留液相中磷的浓度往往已超过饱和溶解度,在铸铁组织中形成二元磷共晶或三元磷共晶,使磷共晶区的硬度偏高。而较低的硅碳比不利于减小白口倾向,也不利于提高组织均一性,组织和成分的不均匀也有可能是产生硬质点的原因。此外,在普通灰铸铁的基础成分上加入铜和铬可提高铸铁的强度、硬度和耐磨性。因为铜是较温和的促进石墨化元素,它能细化石墨并使石墨均匀分布,亦能使珠光体细化,从而使铸铁组织密度提高,力学性能增强;铬的适当加入,可提高硬度并确保得到珠光体基体24,同时铬也是反石墨化元素,在促进珠光体形成的同时,也有形成硬质碳化物的倾向(特别是在铸件的边缘部分),提高淬透性。制动鼓1的铬含量偏高,使得制动鼓局部受热发生相变时的淬透性提高,这也可能是产生硬质白亮点的原因。制动鼓2的行驶里程远大于制动鼓1。从成分上看硅含量的适当提高和磷的降低对组织的均匀性和磷共晶的降低是有利的;铬的适量减少降低了淬硬组织形成的可能性,但也会降低耐热性。2.3金相分析制动鼓1中石墨类型以A型石墨为主,也有少量C型石墨,基体组织为珠光体,有少量磷共晶,见图3a。制动鼓2中以A型石墨为主加少量C型石墨,基体组织也为珠光体,但珠光体的片层间距比制动鼓1的小,见图3b。 (a)制动鼓1的显微组织540 (b)制动鼓2的显微组织540图3制动鼓的基体组织取制动鼓1硬质白亮点处试样,发现硬质点处经磨、抛光及用硝酸酒精侵蚀后,白亮点仍显现出来,表明白亮点处的组织较耐腐蚀。从显微组织看,白亮点处出现了大量的马氏体,见图4a。组织中出现的马氏体是由于摩擦热造成温度上升并超过了相变温度,在随后的快冷条件下导致了奥氏体马氏体相变。铸件中出现了淬硬组织引起该处局部硬度增加,耐磨性提高,同时由于淬硬组织的产生使得局部残余应力增加,力学性能变差,在制动载荷作用下使得制动鼓在频繁制动中出现裂纹。由于硬质马氏体的存在,局部耐磨性的提高,在热变载荷作用和摩擦条件下易导致磨面高低不平、接触面积减少,降低取制动鼓2黑斑处试样,经抛光侵蚀后其黑斑也即刻显现,表明黑斑处的组织耐蚀性较差。从宏观形式看,制动鼓与刹车片的实际接触面可能是一些斑状的接触面5,致使这些接触面受摩擦热作用温升过高而使该部位组织和性能发生变化,形成黑斑,黑斑的形成也表明制动鼓材料的抗热疲劳性不够。从显微组织看,黑斑处的基体组织进一步细化,出现了索氏体组织(见图4b),使组织中的渗碳体与铁素体的片层间距减少、数量增加,相界面增加,耐蚀性下降。索氏体的产生可能是由于制动鼓在其制动过程中发热而不能及时散出,引起接触处局部温度升高,超过相变温度,在较快的冷却速度下形成了索氏体。索氏体和珠光体耐磨性相差不大,所以制动带面光滑、无凹凸不平现象;但由于发生了相变,有残余应力存在,使得力学性能不均匀,在频繁制动时,受制动载荷及高温热磨损的影响,在制动带上易产生呈规则排列的网状裂纹热疲劳裂纹。 (a)制动鼓1中白亮点处的显微组织540 (b)制动鼓2中黑斑处的显微组织540图4失效制动鼓特征点的显微组织2.4硬度检测对制动鼓1及硬质白亮点处和制动鼓2黑斑处取样进行显微硬度测试,结果见表2。由表可见,制动鼓1的硬度值明显偏高,特别是硬质白亮点处,硬度高达700HV左右,这与显微组织中马氏体的硬度相吻合,可见制动鼓1的成分不够合理,组织不均匀或偏析造成制动时局部温升过高、快冷淬硬,是制动鼓制动能力降低的主要原因。制动鼓2除个别点外(磷共晶处),总体硬度值分布及大小较合适。3分析与讨论制动鼓制动时,刹车片与制动鼓内表面之间产生的动或静摩擦力,使制动鼓内表面受到拉应力作用。有关研究认为,实际制动鼓与刹车片的接触面是一些斑状的受热面5,由于频繁制动产生的热量使制动鼓内表面局部温度达到了相变温度(据文献6介绍表面温度最高可达900以上),随即由于导热而迅速冷却,发生组织转变及产生了残余应力。相变和残余应力的存在使制动鼓内表面的力学性能降低,在受到频繁的制动载荷作用下,很容易在局部区域降低了材料的疲劳强度,由此便产生了裂纹,并使裂纹继续进一步扩展,最终导致制动鼓开裂失效。可见,要提高制动鼓的使用寿命,防止过早失效,必须做到制动鼓的成分、基体组织须合理7,制动鼓的抗拉强度和硬度应保证在合理的范围(文献8表明,较合适的制动鼓铸件其抗拉强度为250300MPa,布氏硬度为190210HB),以增强对裂纹的抗力及提高耐磨性。上述检验结果表明,制动鼓1的成分不合理。制动鼓在制动时因摩擦产生大量的热须尽快传导出去,而灰铸铁中的石墨尺寸和形态对其导热性至关重要,片状的A型石墨对制动鼓的导热最有利,因此要提高制动鼓的性能,还应保证石墨为A 型且粗细合适,从而确保制动鼓材质具有良好的导热性。 添加合适且适量的合金元素提高制动鼓材质的热稳定性和抗热疲劳的能力,如加入适量的钼和钒2